20世纪物理学（第1卷）

第1 卷
第1章1900年的物理学...................................................... 1
1.1 科学家社团.............................................................3
1.2 物理学家的培养........................................................ 6
1.3 从事研究的物理学家.................................................. 13
1.4 对研究工作的资助.................................................... 15
1.5 黑体辐射.............................................................. 18
1.6 实验设备.............................................................. 19
1.7 物理世界的图景.......................................................23
1.8 现代物理学的萌芽.................................................... 29
参考文献................................................................... 30
第2 章引进原子和原子核.................................................... 36
2.1 前言...................................................................36
2.2转变的10年：1895～1905 ............................................. 43
2.3放射性：1896～1905 ................................................... 46
2.4原子的结构：1897～1906...............................................52
2.5 量子物理学的诞生.................................................... 54
2.6 Niels Bohr—— 量子动力学之父....................................... 59
2.6.1NielsBohr的个人背景和早年经历...................................59
2.6.2迄至1913年的光谱学..............................................61
2.6.3NielsBohr在1913年3月前;先驱者们..............................64
2.6.4NielsBohr的氢原子................................................67
2.6.5NielsBohr思想的冲击..............................................71
2.7先是喜报——旧量子论的更多成就.................................. 73
2.7.1Stark效应.........................................................73
2.7.2Franck-Hertz实验..................................................73
2.7.3Sommerfeld引进两个新的量子数,氢光谱的精细结构..................74
2.7.4Ehrenfest的浸渐原理...............................................75
2.7.5Einstein将概率引入量子物理学.....................................76
2.7.6选择定则和偏振规则................................................77
2.7.7元素周期表........................................................78
2.7.8Pauli不相容原理...................................................80
2.7.9铪的发现..........................................................82
2.7.10第四个量子数;自旋...............................................82
2.8后是噩耗——旧量子论的危机....................................... 83
2.8.1氦................................................................83
2.8.2反常Zeeman效应..................................................84
2.8.3收获..............................................................85
2.9β射线谱学：1906～1914 ............................................... 85
2.10 核模型, 肇始......................................................... 89
2.10.1质子–电子(P-E)模型.............................................89
2.10.2结合能...........................................................91
2.10.31919：首次元素嬗变...............................................93
2.10.4一种新的力——核力的首次暗示...................................93
2.11 1926～1932：核悖论的年代........................................... 94
2.11.1α衰变得到解释...................................................95
2.11.2原子核的大小.....................................................95
2.11.3核磁矩...........................................................96
2.11.4核自旋...........................................................96
2.11.5核统计...........................................................96
2.11.6β谱：1914～1930 .................................................. 97
2.12 中子................................................................. 98
2.12.1 Chadwick ........................................................ 98
2.12.2感生放射性：Joliot-Curie夫妇......................................99
2.12.3中子是什么？....................................................100
2.12.4第一个核力理论：Heisenberg......................................101
2.12.5第一个核反应理论：Bohr.........................................102
2.13 β 谱：开端的终结................................................... 104
2.13.1 Bohr ............................................................ 104
2.13.2Pauli............................................................105
2.13.3Fermi...........................................................106
2.14 裂变................................................................ 107
2.14.1裂变的发现......................................................107
2.14.2Bohr论铀235...................................................108
2.14.3附言：战前关于从裂变得到原子能的想法...........................109
参考文献.................................................................. 110
第3 章量子和量子力学..................................................... 122
3.1 引言................................................................. 122
3.2量子——实验基础(1900～1928) .................................... 124
3.2.1辐射和量子(1900～1913)...........................................124
3.2.2原子结构和光谱线(1913～1921) .................................... 132
3.2.3量子力学效应(1922～1928) ........................................ 137
3.3量子力学的起源和完成(1913～1929)................................. 145
3.3.1“旧量子理论”的原理和失败(1913～1924) ........................... 147
3.3.2哥廷根的量子力学和Schr¨odinger的波动力学(1925～1926) ........... 154
3.3.3物理诠释和数学基础(1926～1933) .................................. 164
3.4微观物理世界(1925～1935)...........................................175
3.4.1量子力学的应用(1925～1932) ...................................... 176
3.4.2量子力学中的因果性、互补性和实在性(1926～1935) .................. 182
3.4.3超越量子力学(1932年～ 现在)....................................189
参考文献.................................................................. 192
第4 章相对论的历史....................................................... 211
4.1 引言................................................................. 211
4.2 狭义相对论.......................................................... 214
4.2.1理论的起源：力学.................................................214
4.2.2狭义相对论的起源：光学和电动力学................................217
4.2.3狭义相对论的表述.................................................222
4.2.4相对论后来的发展.................................................229
4.2.5其他的表述方式和形式体系........................................229
4.2.6相对论性速度空间(运动学空间)....................................232
4.2.7粒子动力学.......................................................233
4.2.8刚性运动和连续介质力学..........................................233
4.2.9电动力学.........................................................234
4.2.10相对论热力学....................................................235
4.2.11相对论统计力学..................................................235
4.2.12量子理论和基本粒子.............................................236
4.2.13引力理论........................................................236
4.2.14实验检验和应用..................................................237
4.3 广义相对论.......................................................... 238
4.3.1等效原理.........................................................239
4.3.2度规张量场.......................................................241
4.3.3场方程...........................................................243
4.3.4别种方案.........................................................245
4.3.5关于广义相对论后来的工作........................................246
4.3.6别种表述和基础...................................................247
4.3.7引力能量的问题...................................................249
4.3.8广义相对论的物理解释............................................249
4.3.9精确解和近似方法.................................................250
4.3.10运动方程........................................................251
4.3.11Schwarzschild解和经典检验......................................251
4.3.12黑洞、引力塌缩和奇点............................................254
4.3.13引力辐射........................................................257
4.3.14近期的天文学和天体物理学应用和检验.............................260
4.3.15量子引力........................................................261
4.3.16相对论的哲学地位和公众反应.....................................263
4.4 统一场论.............................................................264
参考文献.................................................................. 266
第5 章核力、介子和同位旋对称性..........................................307
5.1 1930 年前后的物理学................................................ 307
5.1.1物质的构成.......................................................307
5.1.21930年的原子物理学和分子物理学(能量为eV的物理学)............308
5.1.3X射线与Compton效应(能量为keV的物理学).....................310
5.1.4α衰变、β衰变及原子核的分类(能量为MeV的物理学)..............314
5.1.5宇宙射线与Heisenberg1932年的分析..............................315
5.2奇迹年——1932年的新物理学...................................... 317
5.2.1新粒子的发现.....................................................317
5.2.2Heisenberg的原子核中子–质子模型.................................318
5.2.3Fermi的β衰变理论..............................................320
5.3 两个基本的核力理论................................................. 321
5.3.1Fermi场理论.....................................................321
5.3.2汤川介子理论.....................................................324
5.420世纪30年代的宇宙线：QED,簇射和重电子......................327
5.4.1软成分和硬成分...................................................327
5.4.2日本和英国的新介子理论..........................................332
5.5 重电子, 介子及粒子物理学的诞生................................... 337
5.5.1宇宙线重电子.....................................................337
5.5.2重电子衰变与β衰变..............................................340
5.5.3介子与核力.......................................................342
5.5.4穿透辐射.........................................................344
5.6 第二次世界大战期间和战后的发现.................................. 344
5.6.1对重电子的更多怀疑：衰变与俘获..................................344
5.6.2π子的发现.......................................................346
5.6.3更多的粒子发现...................................................347
5.7 结论................................................................. 348
参考文献.................................................................. 348
第6 章固体结构分析....................................................... 360
6.1 1912 年以前的晶体学和X 射线...................................... 360
6.2 晶体X 射线衍射的发现..............................................362
6.3 实验技术.............................................................368
6.4 结构测定的方法......................................................373
6.5 精确结构分析........................................................ 383
6.6 中子衍射.............................................................387
6.7 电子衍射.............................................................393
6.8 表面晶体学.......................................................... 395
6.9 不完美晶体和非晶体................................................. 400
6.9.1线度增宽.........................................................400
6.9.2层状结构的错排...................................................401
6.9.3有序—无序转变...................................................401
6.9.4冰的结构.........................................................402
6.9.5晶体位错.........................................................403
6.9.6非晶态结构.......................................................405
6.9.7准晶.............................................................408
6.10 晶体结构分析的影响................................................410
6.10.1内聚能和弹性....................................................410
6.10.2光学和介电性质..................................................410
6.10.3铁电性..........................................................411
6.10.4超导性..........................................................414
6.10.5无机化学........................................................415
6.10.6有机化学........................................................417
6.11 生物分子结构....................................................... 419
6.12 国际晶体学联合会及相关机构...................................... 430
参考文献.................................................................. 432
第7 章热力学与平衡统计力学.............................................. 442
7.1引言——19世纪背景............................................... 442
7.2 量子理论的影响......................................................444
7.2.1黑体辐射.........................................................444
7.2.2固体的振动比热...................................................445
7.2.3经典和量子统计...................................................445
7.2.4气体比热.........................................................447
7.2.5Bose-Einstein凝聚................................................449
7.2.6Fermi-Dirac统计的应用...........................................449
7.3 理论形式的发展......................................................450
7.3.1Gibbs系综.......................................................450
7.3.2Einstein的涨落处理...............................................451
7.3.3第二定律的数学背景：Carath′eodory方法...........................452
7.3.4统计力学中的平均值方法(Darwin-Fowler方法)......................452
7.4 热力学第三定律......................................................453
7.4.1历史回顾.........................................................453
7.4.2 T → 0时的相平衡................................................454
7.4.3熵的量热估计和统计估计..........................................456
7.4.4甚低温的获得.....................................................456
7.4.5负温度...........................................................457
7.5 相变和临界现象......................................................458
7.5.1引言.............................................................458
7.5.2液–气临界点......................................................458
7.5.3铁磁的Curie点...................................................460
7.5.4流体的微观临界行为：临界乳光....................................460
7.5.5二元合金的临界行为...............................................462
7.5.6二级相变的Landau理论：普适性..................................463
7.5.7气体凝聚的统计力学：Mayer-Yvon理论.............................465
7.5.8Ising模型：Onsager的革命........................................466
7.5.9调和：标度和普适性的经验推导....................................472
7.5.10至尊的重正化群(RG)............................................475
7.5.11自避行走及聚合物构象...........................................478
7.5.12具有其他有趣特征的模型.........................................479
7.5.13渗流过程........................................................479
7.5.14自相似性与分形..................................................481
7.6 其他论题.............................................................482
参考文献.................................................................. 484
第8 章非平衡统计力学：变幻莫测的时间演化..............................493
8.1 变迁与巩固的阶段................................................... 493
8.1.1不可思议的最初十年...............................................493
8.1.219世纪的遗产....................................................494
8.1.3正在形成中的学科定义............................................497
8.2 三个时期的历史......................................................498
8.2.1第一期：从Boltzmann方程到主方程...............................500
8.2.2第二期：从主方程到混沌肇端(1940～1975) .......................... 508
8.2.3第三期：1975年～20世纪90年代.................................521
参考文献.................................................................. 528
图片来源确认与致谢...........................................................531